Fisión nuclear: principios, reacciones en cadena y aplicaciones energéticas

Resumen

El documento explica la fisión nuclear como la división de un núcleo pesado en dos más ligeros tras captar un neutrón, con liberación de neutrones y energía. Describe la reacción en cadena, sus formas controlada y no controlada, y su aplicación en centrales nucleares y bombas atómicas. Finalmente, relaciona la energía liberada con el defecto de masa mediante la ecuación de Einstein.

Puntos clave

La fisión nuclear es la división de un núcleo pesado en dos núcleos más ligeros al ser bombardeado con neutrones.
Aunque la reacción es exotérmica, el núcleo no se fisiona espontáneamente y necesita una energía de activación, aportada por la captura de un neutrón.
Los neutrones liberados pueden fisionar otros núcleos, dando lugar a una reacción nuclear en cadena.
En la fisión en cadena controlada se usa un material que absorbe el exceso de neutrones; se da en centrales nucleares.
En la fisión en cadena no controlada, sin absorbente, la reacción es explosiva, como en las bombas atómicas.
La energía liberada se relaciona con el defecto de masa mediante la ecuación ΔE = Δmc².

Ponte a prueba

1. Definición, Ecuación del Proceso y Energía de Activación Necesaria

La fisión nuclear es una reacción nuclear en la que un núcleo pesado se divide en otros dos más ligeros al ser bombardeado con neutrones. En el proceso se liberan más neutrones y gran cantidad de energía.

Debe cumplir las leyes de conservación, por lo que al cumplirse la conservación del número de nucleones se da una redistribución de los mismos, dando lugar a átomos diferentes. Donde:

A pesar de que el núcleo padre es energéticamente menos estable que los núcleos hijo, y que por lo tanto se trata de una reacción exotérmica, no se fisiona de forma espontánea, sino que necesita una energía de activación. Esta energía se obtiene de la captura de un neutrón por el núcleo.

2. Reacción en Cadena, Centrales Nucleares y Bomba Atómica

Los neutrones liberados por la fisión de un núcleo pueden fisionar otros núcleos, dando lugar a una reacción nuclear en cadena.

La fisión nuclear en cadena puede llevarse a cabo de forma controlada o no controlada:

Para la fisión nuclear en cadena de forma controlada, se introduce un material que absorbe el exceso de neutrones y que evita que la reacción prosiga de forma explosiva. Las reacciones controladas se producen en las centrales nucleares y en los generadores auxiliares de submarinos y cohetes. De esta manera es posible obtener energía de una manera controlada.
Si no existe ningún elemento que absorba los neutrones en exceso, la reacción tiene lugar de forma explosiva. Este tipo de reacciones se dan en las bombas atómicas.

3. Defecto de Masa, Energía de Enlace y la Ecuación de Einstein

Los balances de masa y energía de la reacción permiten analizar energéticamente las reacciones. El calor que produce la reacción es igual a la diferencia entre las energías cinéticas de las diferentes especies.

En este tipo de reacciones no se produce un balance de masa; siempre hay un defecto entre productos y reactivos, de manera que la energía liberada en la reacción se puede relacionar con el defecto de masa según la ecuación de Einstein:

ΔE = Δmc²

El defecto de masa, Δm, es:

Donde M_padre es la masa del núcleo padre, M_x y M_y la masa de los núcleos hijo y m_n la masa del neutrón.

Preguntas frecuentes

¿Por qué no se fisiona espontáneamente un núcleo pesado si la reacción es exotérmica?

Porque necesita una energía de activación para iniciarse. Esta energía se obtiene al capturar un neutrón el núcleo.

¿Qué diferencia hay entre una reacción en cadena controlada y una no controlada?

En la controlada se introduce un material que absorbe el exceso de neutrones y evita que la reacción sea explosiva. En la no controlada no existe ese elemento y la reacción se produce de forma explosiva.

¿Dónde se aplica la fisión nuclear en cadena controlada?

Se aplica en las centrales nucleares y en los generadores auxiliares de submarinos y cohetes, donde permite obtener energía de forma controlada.